一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法及系统

1.本发明属于机器人运动规划相关技术领域，尤其涉及一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.梯形速度曲线是机械臂控制中最常用的速度规划方式之一，它具有简单、易实现的特点，同时也可以实现快速进给运动。但是，这种速度规划方式也存在一些缺点，其中之一就是梯形速度曲线存在不连续的加速度，这可能会在快速进给运动中对机械系统上产生冲击和压力。当机械臂从静止状态加速到最大速度时，加速度会突然变化，这会导致机械臂的部件和结构产生冲击和压力。这种冲击和压力可能会对机械臂的部件和结构造成损伤，导致机械臂的寿命缩短。此外，不连续的加速度还可能导致机械臂产生不良的振动效应，这些振动效应会影响机械臂的精度和性能。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法及系统，通过抛物线的光滑性改善梯形速度曲线的不连续性，实现机器人速度曲线更加平滑。
5.为实现上述目的，本发明的第一个方面提供一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，包括：
6.基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；
7.在所述加速阶段，加速度随加速时间变化而变化的方式控制机器人的运动；
8.在所述减速阶段，加速度随减速时间变化而变化的方式控制机器人的运动。
9.本发明的第二个方面提供一种改进的机器人梯形速度曲线规划系统，包括：
10.确定模块：基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；
11.加速控制模块：加速度随加速时间变化而变化的方式控制机器人的运动；
12.减速控制模块：加速度随减速时间变化而变化的方式控制机器人的运动。
13.本发明的第三个方面提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法。
14.本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行一种改进的机器人梯形速度曲线
规划方法。
15.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
16.在本发明中，对梯形速度曲线的加速阶段和减速阶段进行改进，随加速时间、减速时间的变化在加速阶段的加速度、减速阶段的加速度不断的变化，从而改善梯形速度曲线的不连续性，实现机器人速度曲线更加平滑，实现简单，具有较好的实际应用价值。
17.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.图1为本发明实施例一中改进的梯形速度曲线示意图；
20.图2(a)为本发明实施例一中q0＝0,q1＝5时位置、速度和加速度曲线规划示意图；
21.图2(b)为本发明实施例一中q0＝0,q1＝-5时位置、速度和加速度曲线规划示意图；
22.图2(c)为本发明实施例一中q0＝5,q1＝0时位置、速度和加速度曲线规划示意图；
23.图2(d)为本发明实施例一中q0＝5,q1＝-5时位置、速度和加速度曲线规划示意图；
24.图2(e)为本发明实施例一中q0＝-5,q1＝0时位置、速度和加速度曲线规划示意图；
25.图2(f)为本发明实施例一中q0＝-5,q1＝5时位置、速度和加速度曲线规划示意图.
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
28.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.实施例一
30.本实施例公开了一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，包括：
31.基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；
32.在所述加速阶段，加速度随加速时间变化而变化的方式控制机器人的运动；
33.在所述减速阶段，加速度随减速时间变化而变化的方式控制机器人的运动。
34.梯形速度曲线是机器人运动规划中常用的一种速度曲线，如图1中梯形曲线所示。梯形速度曲线基于初始/终止速度、最大加/减速度、最大速度以及起始/终止的位移来计算加速段(ta)、匀速段(tv)以及减速段(td)所需的时间，并根据位移、速度以及加速度公式计算期望的轨迹。然而，梯形速度曲线存在不连续的加速度，这可能会在快速的进给运动中对机械系统上产生冲击和压力，甚至导致机械臂损伤或不良的振动效应。为解决这个问题，本实施例提出基于抛物线的梯形速度曲线优化策略，如图1虚线所示，该方法通过使用抛物线的光滑性改善梯形速度曲线的不连续性。
35.本实施例中改进的梯形速度曲线仍采用三段式：加速段、匀速段和减速段，在加速和减速段中采用抛物线来改善不连续性。
36.改进后的梯形速度曲线表达式为：
[0037][0038][0039][0040]
其中，am为最大加速度，vm为最大速度，τ1,τ2,τ3分别为加速阶段、匀速阶段和减速阶段的运行时间，a为待求参数，其大小决定了曲线的形状与大小。
[0041]
假设机器人运动在最大速度可以能达到的前提下，根据公式(2)最大速度曲线表达式可得：
[0042][0043]
求解上述方程可得：
[0044][0045]
假设ta有解，由方程(5)可得：
[0046][0047]
取得：
[0048][0049]
在本实施例中，通过上述公式(3)可获得最终的轨迹表达式为：
[0050]
[0051]
根据梯形曲线对称原理，假设加速度段和减速段的时间相同，考虑临界状态即无匀速段，即tv＝0，轨迹可以简化为：
[0052][0053]
将和代入上式可得：
[0054][0055]
整理可得临界速度为：
[0056][0057]
其中，v
temp
表示临界速度。
[0058]
若有均速阶段，此时在公式(10)基础上，可得：
[0059][0060]
解上述方程可得匀速段的时间tv，
[0061][0062]
系统能否达到最大速度判别式为：
[0063][0064]vlim
即为最终的匀速段的速度值，即vm＝v
lim
用于最终的位移，速度和加速度的计算(即公式(1)，(2)，(3))。
[0065]
在本实施例中，对于预先给定的起始位置q0和终点位置q1需进行如下两种情况的讨论：
[0066]
若q1≥q0的情况，根据上述公式(1)(2)(3)即可求出相应的曲线轨迹、速度和加速度曲线。
[0067]
若q1＜q0，即初始位置大于终点位置时，上述的求解过程会出现复数求开平方的情况而导致计算失败，引入系数σ＝sign(q
1-q0)，其中sign为符号函数：
[0068][0069]
对预先给定的起始和终点位置、速度和加速通过系数进行取反操作，即，然后将其作为已知参数代入公式(1),(2),(3)中求解相应的轨迹、速度和加速度，再对曲线再次取反，最终完成轨迹的输出。
[0070]
本实施例对改进梯形速度曲线算法进行了测试，假设最大速度vm＝2，最大加速度am＝10，初始速度v0＝0，终点速度v1＝0，通过改变起始位置q0和终点位置q1对算法进行测试，即分别考虑q0和q1的相对大小。实验设置6种状态，分别为：
[0071]
q0＝0,q1＞0；q0＝0,q1＜0；
[0072]
q0＞0,q1＝0；q0＜0,q1＝0；
[0073]
q0＞0,q1＜0；q0＜0,q1＞0；
[0074]
基于上述改进算法针对上述不同情况的位置、速度和加速度曲线规划如图2(a)-图2(f)所示。
[0075]
根据图2(a)-图2(f)可以看出，经过改进后的梯形速度曲线算法可以实现不同情况下机械臂关节的运动轨迹、速度曲线和加速度曲线的规划，并表现出良好的性能，实现了平滑的曲线轨迹和较短的运动时间。结果表明，所提出的优化曲线算法可以有效地提高机械臂关节控制性能，具有实际应用价值。
[0076]
实施例二
[0077]
本实施例的目的是提供一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
[0078]
实施例三
[0079]
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
[0080]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
[0081]
实施例四
[0082]
本实施例的目的是提供一种改进的机器人梯形速度曲线规划系统，包括：
[0083]
确定模块：基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；
[0084]
加速控制模块：加速度随加速时间变化而变化的方式控制机器人的运动；
[0085]
减速控制模块：加速度随减速时间变化而变化的方式控制机器人的运动。
[0086]
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
[0087]
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们
中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0088]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，包括：基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；所述加速阶段基于加速阶段的加速时间变化而加速度变化的方式控制机器人的运动；所述减速阶段基于减速阶段的减速时间变化而加速度变化的方式控制机器人的运动。2.如权利要求1所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，通过最大加速度、最大速度确定加速阶段加速时间、减速阶段减速时间的系数。3.如权利要求2所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，通过加速阶段的最大加速度、加速阶段的加速时间、加速阶段的初始时刻的速度以及所述系数确定加速阶段的速度曲线。4.如权利要求2所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，通过减速阶段的减速时间、最大速度以及所述系数确定减速阶段的速度曲线。5.如权利要求1所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，还包括：在加速阶段的加速时间和减速阶段的减速时间相同且无匀速阶段时，根据所确定的加速阶段的速度曲线、减速阶段的速度曲线得到机器人的运动轨迹的初始位置和终点位置；根据所述运动轨迹的初始位置和终点位置以及加速阶段最大加速度确定机器人运动的临界速度；通过判断所求的临界速度和所设定的最大速度的大小确定机器人运动是否达到所设定的最大速度。6.如权利要求2所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，还包括：若所设定机器人运动的初始位置大于所设定的终点位置，则在加速阶段和减速阶段，通过将基于初始位置和终点位置的sign函数对所设定的机器人运动的初始位置、终点位置、加速阶段的初始速度以及最大速度进行修正，基于修正后的参数以及所述系数确定机器人运动轨迹。7.如权利要求6所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法，其特征在于，若所设定机器人运动的初始位置小于所设定的终点位置，则根据设定机器人运动的初始位置、终点位置、加速阶段的初始速度以及最大速度以及所述系数确定机器人运动轨迹。8.一种改进的机器人梯形速度曲线规划系统，其特征在于，包括：确定模块：基于机器人运动规划中的初始速度、终止速度、最大速度确定速度曲线的加速阶段和减速阶段；加速控制模块：加速度随加速时间变化而变化的方式控制机器人的运动；减速控制模块：加速度随减速时间变化而变化的方式控制机器人的运动。9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至7任一项所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至7任一项所述的一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法。

技术总结
本发明提出了一种改进的机器人梯形速度曲线规划方法及系统，包括：获取机器人运动规划中的梯形速度曲线，所述梯形速度曲线包括加速阶段、减速阶段；所述加速阶段、减速阶段按照预设的抛物线曲线控制机器人运动中的加速、减速运行。通过抛物线的光滑性改善梯形速度曲线的不连续性，实现机器人速度曲线更加平滑，实现简单，具有较好的实际应用价值。具有较好的实际应用价值。具有较好的实际应用价值。


技术研发人员：宋锐 郑玉坤 孙如月 刘义祥 王艳红
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/9